2021-4-9 | 农业水利综合论文
材料与方法
1.材料
试验用土壤采自于东北农业大学香坊农场，其物理特性为颗粒分析值2~0.5，0.5~0.075，0.075~0.01，＜0.01分别为4.1，2.66，1.39，1.17。比重2.66，密度1.39g•cm-3，干密度1.17g•cm-3，内聚力25kN•m-2。试验深施用材料为大豆、玉米和水稻3种作物秸秆，试验之前将各种秸秆粉碎成2~8cm。
2.方法
将土壤分别置于四个底面积为0.5×1m2高度约为0.5m的铁制矩形土槽内，并将土槽编号1~4号。然后将1、2、3号土槽内分别埋入大豆秸秆、玉米秸秆和水稻秸秆。由试验测得：当深施秸秆上方承受体积为1.00m×0.05m×0.20m（长×宽×高）土壤的重量（13.9kg）时，其体积保持1.00m×0.05m×0.08m所需的秸秆量分别为：大豆秸秆0.50kg，水稻秸秆0.34kg，玉米秸秆0.39kg。秸秆深施位置与尺寸如图1所示。4号土槽作为对照组不埋入秸秆。土槽放置在室内，以便于调控温度、湿度、风力等试验条件。在秸秆深施半个月、9个月与22个月后，采用人工降水的方法，降水量按黑龙江省平均降雨量（30mm）设定，在不产生径流的条件下，把水均匀地降在土壤表面。降水后每隔12h使用FD-T型土壤水分仪分别在距秸秆深施两侧10、20、30cm处测定土壤深度为5、10、15、20cm的土壤含水量，连续测试6d，以土壤含水量3次测试的平均值作为分析依据。土壤水分仪采用高周波原理，数字显示，传感器与主机合为一体，分辨率为0.1%，可实现快速测试。
结果与分析
秸秆深施后随着时间的延长，秸秆腐解，不仅体积发生变化，其物理特性也要改变，前4周内主要腐解秸秆中的根、叶等较容易腐解组织，4周后腐解秸秆中的较难腐解的茎，速度减慢。16周后仅剩下非常难腐解的纤维素和半纤维素，腐解速度非常缓慢[7-8]。在不同腐解状态下秸秆呈现出不同性状，对其蓄水效果有直接影响作用。冬季气温低，秸秆腐解速度明显低于夏季。另外夏季是作物耕作生长期，土壤中的水分对作物生长有直接影响。因此本研究的测试时间均设定为每年的夏季，对应秸秆深施后的时间分别为半个月、9个月和22个月，其土壤含水量测试结果分析如下。
1.秸秆深施半个月后土壤含水量变化
秸秆深施半个月，5、10、15、20cm土层降水12h后土壤含水量变化如图2所示。大豆秸秆与玉米秸秆组水分变化曲线与对照组差异显著（P<0.05），表明大豆秸秆与玉米秸秆组具有延缓含水量下降的作用。水稻秸秆组曲线接近于对照组，且与对照组无显著差异，表明水稻秸秆组对土壤含水量变化影响不大。如图2a所示，在5cm土层处各组土壤含水量比其他深度土层处土壤含水量稍小，主要由于其接近地表，水分蒸发与渗透快。对照组反映出自然状态下降水后土壤水分的变化规律，即下降速度逐渐减缓，符合自然状态水分散失规律[9]。随着降水时间的延长各组总体含水量均呈下降趋势，大豆秸秆和玉米秸秆组分别比对照组土壤含水量平均高3.7%和4.1%。水稻秸秆组含水量变化曲线与对照组接近且无显著差异，即水稻秸秆组对5cm土层土壤含水量无明显影响。大豆秸秆与玉米秸秆组土壤含水量变化趋势相近。在降水后12h大豆秸秆与玉米秸秆组的土壤含水量与对照组基本相同，在24~96h各时间点上均明显高于对照组，且土壤含水量下降速度缓慢；在96h之后与对照组接近，都趋于稳定状态，此时土壤表面已经比较干燥并出现裂隙；对照组在24~96h初期含水量下降速度较快，说明深施大豆秸秆与玉米秸秆在降水后96h内，能有效减缓土壤水分散失速率，保持比对照组更高的土壤含水量。如图2b、2c所示，在10与15cm土层处，各组在各时间点上土壤含水量均大于5cm土层，且土层越深，水分越大。在10与15cm土层处各组土壤含水量变化总体趋势与5cm土层处相似。在10cm土层处大豆秸秆和玉米秸秆组分别比对照组含水量平均高4.5%和4.3%，在15cm土层处分别高出对照组4.3%和3.3%，均高于5cm处土壤含水量。在深度方向上接近秸秆深施处，蓄水效果增强。如图2d所示，在20cm土层处由于其深度大，水分蒸发缓慢，各组在各时间点上土壤含水量均较其他深度土层大。各组土壤水分变化曲线均呈缓慢下降趋势，大豆秸秆与玉米秸秆组的土壤含水量明显高于对照组，分别比对照组平均高2.6%和2.3%。在5~15cm土层处，随着深度的增加土壤含水量与对照组差异增大，在20cm土层深度处，土壤水分蒸发缓慢，各秸秆组土壤含水量与对照组差异小于15cm土层处。
2.秸秆深施9个月后土壤含水量变化
图3为深施秸秆9个月（第二年夏季）、土壤降水12h后，其深度为5、10、15、20cm土层的土壤含水量变化情况。在不同土层各组土壤含水量均呈缓慢下降趋势，且土层越深平均含水量越大。在5、10cm土层，各秸秆组的土壤含水量与对照组均无显著差异，在15cm土层中的玉米秸秆组和水稻秸秆组与对照组、20cm土层中的玉米秸秆组及水稻秸秆组和大豆秸秆组与对照组的土壤含水量存在显著差异（P<0.05）。15cm土层处玉米秸秆组和水稻秸秆组分别比对照组含水量平均高1.1%和0.9%，20cm土层处各秸秆组土壤含水量均高于对照组，玉米秸秆与水稻秸秆组接近，平均比对照组含水量高2.3%和2.4%，大豆秸秆组平均比对照组含水量高1.2%。随着时间延长，秸秆逐渐腐解，秸秆体积变小，对周围土壤蓄水效果影响减小，秸秆深施在5和10cm土层的蓄水作用已不明显，但在15和20cm土层的蓄水作用依然存在。
3.秸秆深施22个月后土壤含水量变化
图4为秸秆深施22个月（第三年夏季）土壤降水12h后，其深度为5、10、15、20cm土层的土壤含水量变化情况，可看出各组土壤含水量均缓慢下降，土壤含水量的平均值随深度增加而增大，与秸秆深施半个月、9个月的变化趋势相似。在5、10、15cm土层处，各秸秆组土壤含水量曲线与对照组相似且无显著差异，仅玉米秸秆组在20cm土层处与对照组含水量存在显著差异（P<0.05）。当秸秆深施22个月时，各种秸秆接近完全腐解，对土壤蓄水效果的影响作用也随之减弱，大豆秸秆和水稻秸秆对土壤蓄水效果无明显作用。在最接近秸秆深施处的20cm土层处，玉米秸秆组土壤含水量显著高于对照组和其他组，平均比对照组含水量高1.7%，说明秸秆深施22个月后仅玉米秸秆对土壤蓄水效果有作用。
4.土壤含水量在水平方向上分布情况
图5为土壤降水72h水平方向土壤平均含水量。秸秆深施半个月，玉米秸秆与大豆秸秆组土壤含水量在水平方向上不同距离都大于对照组。且距离10cm处含水量最大，距离增加，含水量下降，水稻秸秆组则与对照组无明显差异（见图5a）。秸秆深施9个月，各组土壤平均含水量均大于对照组，距离10cm处玉米秸秆组比对照组含水量大1.8%，水稻秸秆组比对照组含水量大1.2%，大豆秸秆组比对照组含水量大0.4%，同样有随距离增大含水量下降的趋势（见图5b）。秸秆深施22个月，玉米秸秆组土壤含水量在距离10、20、30cm高于对照组，大豆和水稻秸秆组与对照组无明显差异（见图5c）。